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1、第二节理想均相反应器计算,反应器的开发大致包括:,根据化学反应动力学特性选择合适的反应器型式;结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作条件;根据给定的产量对反应装置进行设计计算,确定反应器的几何尺寸,一 反应器设计基础,在工业上发生化学反应过程的装置称反应器;反应器的形式和操作操作方式有很大差异;本质上,反应器的类型不影响化学反应动力学;但是不同类型的反应器物料在其中的流动状况不同,物料在反应器中的流动会引起物料之间的混合;简单混合不影响化学反应过程的进行;存在返混时,反应器内物料的组成将受影响;,若是处于不同进料时间的两股物料之间发生混合,由于物料在反应器内停留时间不同,反应程度
2、不同,化学反应速率也将发生变化.尽管反应动力学方程不发生变化,但组成的变化将影响反应速率,因而影响整个反应器内的反映情况.按物料在反应器中返混情况作为反应器分类的依据将能更好的反映出其本质上的差异。（1）间歇反应器：反应器内物料被充分混合，由于物料为同一时间进料，物料间的混合过程为简单混合，不存在返混；,（2）理想置换反应器（平推流或活塞流反应器）：在反应器内物料允许做径向混合（简单混合）但不存在轴向混合（无返混）。（3）连续操作的充分搅拌反应器（全混流反应器）该反应器种物料返混达到最大。（4）非理想流反应器 介于平推流反应器和全混流反应器之间，存在部分返混。（1-3）为理想流动反应器,二 反
3、应器设计的基础方程,反应器的设计包括：在确定的生产任务条件下，即已知原料量、原料组成和对产品要求，通过设计计算，确定反应器的工艺尺寸（反应器直径、高度等）。反应器的校核计算 已有一给定的反应器（已知反应器大小），确定产品达到一定质量要求的前提下，能否完成产量；或保持一定产量时，质量是否合格。反应器设计计算设计的基础方程式：动力学方程式、物料恒算方程式和热量恒算方程式。,1.物料衡算,（1）物料衡算是针对一具体的体系（体积元）。该体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。在体积元内进行物料衡算：间歇操作中，物料分批加入或输出，所以1、2相为0；连续操作，4相等于0,2.热量衡算,化学
4、反应速率和温度密切相关，温度条件取决于反应放出或吸收的热量和换热条件，必须将物料和热量衡算方程结合处理。间歇操作：1、2项为零；连续流动反应器5为0；根据物料和热量衡算得到反应器的基本设计方程式，结合动力学方程可计算反应器的体积。,三 几个时间概念,（1）反应持续时间（反应时间）指反应物料进行反应达到所要求的转化率所需要的时间。主要用于间歇反应器，不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。（2）停留时间（接触时间）和平均停留时间 流体微元从反应器入口到出口经历的时间。主要用于连续流动反应器。由于流动状态和化学反应的不同，物料微元体在反应器中的停留时间是各不相同的，存在一个分布，称为停留时
5、间分布。各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间称为平均停留时间。,（3）空间时间 反应器有效容积与流体特征体积流率的比值。流体特征体积流率是在反应器入口温度和压力下，转化率为0时的体积流率。表示在规定条件下，进入反应器的物料通过反应器所需要的时间。反映了连续流动反应器的生产强度。,（4）空间速度（空速）在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料标准体积。对于气固相催化反应，空间速度为在单位时间内通过单位催化剂体积体积（质量）的物料标准体积流率。通常用于比较设备生产能力的大小。,四 间歇反应器（Batch Reactor,简称BR）,常见的是带有搅拌器的釜式反应器，通常设置有夹套或盘管以加
6、热或冷却反应，控制反应温度。通常用于产值高、批量小的产物生产。1 特点：（1）反应器内有效空间中各位置的物料温度和浓度相同；（2）物料停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，无返混现象；（3）出料组成和反应器内物料的最终组成相同；（4）为间歇操作，有辅助时间。一个生产周期包括：反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（冷却）时间等。,2.确定反应时间,求取达到规定的转化率物料在反应器中所需的反应时间。对整个反应器在微元时间内进行衡算：,间歇反应器基本设计方程式,讨论：,达到规定转化率需要的反应时间取决于cA,0和rA,与反应体积无关。在设计时，只要cA,0和rA相同，所需反应时间相同。
7、动力学方程通常在间歇反应器内测定。在间歇反应器放大时，只要保证大、小反应器的温度和混合条件相同，可根据小试结果直接设计和放大反应装置。,3.计算反应器体积,对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量和原料组成，以及达到的产品要求和辅助时间，动力学等均作为给定的条件，要求计算出间歇反应器的体积。,例 在343K,等摩尔比的己二酸和己二醇以硫酸为催化剂，在间歇操作搅拌釜式反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为关键组分的反应动力学公式-rA=k cA2,cA0=4*10-3kmol/L,k=1.97(L.kmol)/min.若每天处理2400kg己二酸，每批操作的辅助时间t=1h，装填系数为0
8、.75，要求转化率为80%，求反应器的体积。,讨论：,（1）若已知间歇反应器的大小，原料组成、产品组成，反应速率方程，辅助工作时间和装填系数，求能否满足处理量或产量的要求？（2）当已知反应器大小，原料组成、辅助时间，单位时间处理的原料量和装填系数时，求出口组成能否满足要求？,五 活塞流反应器（平推流反应器）,通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推。英文名称为：Piston Flow Reactor,简称PFR.1.特点（1）反应器内无返混现象，物料的停留时间相同；（2）同一截面上，不同径向位置的流体特性（组成、温度）是一致的。（3）定常态下，反应器内状态只随
9、轴向位置改变，不随时间变化；,2.活塞流反应器的计算,在活塞流反应器中，物料的组成沿反应器流动方向，从一个截面到另一个截面不断变化，因此，取反应器中某一微元体积对关键组分进行物料衡算。,平推流反应器的积分设计方程,（1）等温恒容反应过程,平推流反应器的积分设计方程,讨论（1）以上设计方程关联了反应速率、转化率、反应器体积和进料量四个参数，可根据给定条件从三个已知量求的另一个未知量。（2）在做具体计算时，式中的反应速率要代入具体动力学方程式（3）动力学方程式简单时，可解析求解,例 将上例所述己二酸和乙二醇的反应，放到活塞流反应器中进行，条件同前，试计算活塞流反应的体积。,因为它们在反应过程都不存
10、在返混，所以反应器体积大小接近，但由于间歇反应器需要辅助工作时间，所以反应器稍大。,从计算结果可以看出，活塞流反应器所需的体积等于间歇反应器一个操作周期中，去掉辅助时间，计算得到的体积。因此，活塞流反应器的生产能力比间歇反应器的生产能力大。为什么呢？,3 恒温变容反应过程,由于反应前后物料体积发生变化（变容），在此情况下，须在动力学方程式中将体积变化因素考虑进去。（1）膨胀因子,该反应的膨胀因子,表示：当反应组分A每转化1mol时，引起物系总量（以摩尔记）增加或减少的值。,可计算恒温变容过程,六 全混流反应器（简称CSTR）,流入反应器的物料，在瞬间和反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物
11、料的温度、浓度是相同的。1.特点：物料在反应器内充分返混；反应器内各处物料参数均一；反应器出口组成和反应器内物料组成相同；连续、稳态流动，是一定态过程。,2.基本设计方程,全混釜中各处物料均一，故可选择整个反应器作物料衡算体系，对组分A作物料衡算。,全混流反应器基本设计方程,例 在全混流反应器中用己二酸和己二醇反应生产醇酸树脂，操作条件同前，试计算全混流反应器需要的体积。,从上表可以看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应所需反应体积略大，这是由于间歇过程需要辅助工作时间造成的。而全混流反应器比平推流和间歇反应器所需反应体积大的多，这是由于全混釜的返混造成了反应速率下降所致。思考：如果反应速率
12、增大到90%时，各反应器的体积如何变化，体积的变化率如何？,七 多级全混釜反应器,由多个全混流反应器串联操作组成的反应器组称为多级全混流反应器。1.特点：反应不是在一个反应器内一次完成，而是在多个串联的全混釜中进行。各釜的入口浓度为前一釜的出口浓度；串联的各反应器中，物料的组成和温度是均一的，但釜与釜之间的浓度是突然变化的；除最后一级反应器中的反应是在最终反应物浓度条件下进行的，其余各级反应物浓度均较之为高，且随着串联反应器数目的增多，其性能越接近活塞流反应器。,根据以上性质，在计算时，主要是利用全混流反应器基本设计方程于每一级串联的反应器。,对串联反应器中的第i级反应器中的组分A进行物料衡算：流入量=流出量+反应消耗量qVcA,i-1=qVcA,I+(-rA,i)Vi恒容条件下，,多级全混流反应器的基本设计方程式,上式在计算中涉及四个参数，计算方法可通过代数法或图解法进行：,2.代数法计算多级全混流反应器,以一级反应为例,第二级反应器出口浓度：,对于最终一级反应器：,对于二级反应：,这时采用代数法求解，较为复杂，而采用图解法相对方便。,例 将己二酸和己二醇的反应在两釜串联反应中进行生产，如果在第一釜中己二酸的转化率为60%，第二釜中达到最终的转化率80%，当反应条件同前时，求两釜串联反应器的总体积。,对于第二釜,3.图解法,
